Особенности проявления донной топографии на спутниковых РСА-изображениях

П. Д. Пиваев1,✉, В. Н. Кудрявцев1,2, Е. А. Балашова1, Б. Шапрон1,3

1 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия

2 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

3 Institute Francais de Recherche pour I’Exploitation de la Mer, Plouzane, France

✉ e-mail: pivaev.pavel@gmail.com

Аннотация

Цель. Рассматриваются эффекты проявления неоднородностей дна северной части Белого моря на изображениях, полученных с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), установленных на спутниках Sentinel-1А, Sentinel-1В.

Методы и результаты. Неоднородности дна проявляются в виде светлых и темных аномалий яркости РСА-изображений. Аномалии фиксировались при скорости ветра в диапазоне от 2,6 до 10,8 м/с. Аномалии удельной эффективной площади рассеяния становились инверсными (яркие становились темными, и наоборот) при смене направления приливного течения. Показано, что наблюдаемые контрасты РСА-изображения коррелируют с дивергенцией течения, формируемого при взаимодействии приливного потока с неоднородностями донной топографии. Модельные расчеты контрастов РСА-изображений согласуются с наблюдениями и подтверждают связь наблюдаемых аномалий РСА-сигнала с дивергенцией течения, индуцируемого при взаимодействии приливного течения с неоднородностями рельефа. Совместно с моделированием РСА-контрастов произведена качественная оценка вклада различных механизмов в формирование наблюдаемых модуляций удельной эффективной площади рассеяния. Особый акцент делается на эффекте обрушения волн. Предлагается подход к восстановлению рельефа дна, основанный на соотношении между градиентом глубины и контрастами РСА-изображения.

Выводы. Положение неоднородностей рельефа дна в мелководном районе в целом совпадает с положением дивергенции и конвергенции приливного течения, которые наблюдаются в виде аномалий яркости РСА-изображений. Основной вклад в наблюдающиеся РСА-контрасты приходится на обрушения поверхностных волн. Наблюдается согласие между реконструированным по РСА-данным и фактическим рельефом дна, а расхождения интерпретируются как возможные изменения глубины и формы особенностей донной топографии, вызванные воздействием интенсивных течений и волн.

Ключевые слова

донная топография, Sentinel-1, РСА, обрушения волн, дивергенция течения

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта No 17-77-30019. Авторы выражают благодарность А. В. Зимину за предоставление данных о донной топографии в Белом море.

Для цитирования

Особенности проявления донной топографии на спутниковых РСА-изображениях / П. Д. Пиваев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, No 3. С. 313–328. EDN CRSOCQ. doi:10.22449/0233-7584-2020-3-313-328

Pivaev, P.D., Kudryavtsev, V.N., Balashova, E.A. and Chapron, B., 2020. SAR Imaging Features of Shallow Water Bathymetry. Physical Oceanography, 27(3), pp. 290-304. doi:10.22449/1573-160X-2020-3-290-304

DOI

10.22449/0233-7584-2020-3-313-328

Список литературы

  1. Synthetic Aperture Radar Marine User’s Manual / C. R. Jackson, J. R. Apel (eds.). Washington, DC : U.S. Department of Commerce, 2004. 464 p.
  2. Alpers W., Hennings I. A theory of the imaging mechanism of underwater bottom topography by real and synthetic aperture radar // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1984. Vol. 89, iss. C6. P. 10529–10546. https://doi.org/10.1029/JC089iC06p10529
  3. Shuchman R. A., Lyzenga D. R., Meadows G. A. Synthetic aperture radar imaging of ocean-bottom topography via tidal-current interactions: theory and observations // International Journal of Remote Sensing. 1985. Vol. 6, iss. 7. P. 1179–1200. doi:10.1080/01431168508948271
  4. Lodge D. W. S. Surface expressions of bathymetry on Seasat synthetic aperture radar images // International Journal of Remote Sensing. 1983. Vol. 4, iss. 3. P. 639–653. https://doi.org/10.1080/01431168308948580
  5. Romeiser R., Alpers W. An improved composite surface model for the radar backscattering cross section of the ocean surface: 2. Model response to surface roughness variations and the radar imaging of underwater bottom topography // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1997. Vol. 102, iss. C11. P. 25251–25267. https://doi.org/10.1029/97JC00191
  6. SAR imaging and hydrodynamic analysis of ocean bottom topographic waves / Q. Zheng [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2006. Vol. 111, iss. C9. C09028. doi:10.1029/2006JC003586
  7. The Bathymetry Assessment System: Efficient depth mapping in shallow seas using radar images / C. J. Calkoen [et al.] // International Journal of Remote Sensing. 2001. Vol. 22, iss. 15. P. 2973–2998. https://doi.org/10.1080/01431160116928
  8. Sentinel-1 bathymetry for North Sea palaeolandscape analysis / C. Stewart [et al.] // International Journal of Remote Sensing. 2016. Vol. 37, iss. 3. P. 471–491. doi:10.1080/01431161.2015.1129563
  9. Underwater bottom topography in coastal areas from TerraSAR-X data / S. Brusch [et al.] // International Journal of Remote Sensing. 2011. Vol. 32, iss. 16. P. 4527–4543. doi:10.1080/01431161.2010.489063
  10. Estimating near-shore bathymetry using SAR / C. Wackerman [et al.] // IGARSS '98. Sensing and Managing the Environment. 1998 IEEE International Geoscience and Remote Sensing : Symposium Proceedings. Seattle, WA, USA, 1998. Vol. 3. P. 1668–1670. doi:10.1109/IGARSS.1998.692407
  11. On rewriting the imaging mechanism of underwater bottom topography by synthetic aperture radar as a Volterra series expansion / J. Inglada [et al.] // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2002. Vol. 27, iss. 3. P. 665–674. doi:10.1109/JOE.2002.1040949
  12. Modulation of radar backscatter from the ocean by a variable surface current / E. A. Caponi [et al.] // Journal of Geophysical Research. 1988. Vol. 93, iss. C10. P. 12249–12263. doi:10.1029/JC093iC10p12249
  13. On radar imaging of current features: 1. Model and comparison with observations / V. Kudryavtsev [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. Vol. 110, iss. C7. C07016. doi:10.1029/2004JC002505
  14. On Quad-Polarized SAR Measurements of the Ocean Surface / V. N. Kudryavtsev [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2019. Vol. 57, no. 11. P. 8362–8370. doi:10.1109/TGRS.2019.2920750
  15. On C-Band Quad-Polarized Synthetic Aperture Radar Properties of Ocean Surface Currents / S. Fan [et al.] // Remote Sensing. 2019. Vol. 11, iss. 19. 2321. https://doi.org/10.3390/rs11192321
  16. Speckle reduction in multipolarization, multifrequency SAR imagery / J. S. Lee [et al.] // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1991. Vol. 29, iss. 4. P. 535–544. doi:10.1109/36.135815
  17. De Loor G. P. Remote sensing of the sea by radar. Analysis of available data and results of Noordwijk '77. Hague, Netherlands : Physics LAB RVO-TNO, 1978. 59 p. (Rep. PHL-1978-53).
  18. De Loor G. P. The observation of tidal patterns, currents and bathymetry with SLAR imagery of the sea // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1981. Vol. 6, no. 4. P. 124–129. doi:10.1109/JOE.1981.1145501

Скачать статью в PDF-формате